氣象衛(wèi)星

目錄

[隱藏顯現(xiàn)]

1 概述

1. 1.1 氣象遙感儀器

2 發(fā)展史

3 軌道

4 衛(wèi)星云圖

5 類型

6 技術(shù)特點(diǎn)

7 觀測內(nèi)容

8 主要衛(wèi)星系列

9 衛(wèi)星效用

氣象衛(wèi)星具有除一般衛(wèi)星的基本結(jié)構(gòu)和部件外，還攜帶各類遙感儀器，包括電視攝像機(jī)、紅外探測儀、射電探測儀、多譜段探測儀、氣象雷達(dá)以及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。遙感器能夠接收和測量地球及其大氣的可見光、紅外與微波輻射，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號傳送到地面。地面接收站再把電信號復(fù)原繪出各種云層、地表和洋面圖片，進(jìn)一步處理后就可以發(fā)現(xiàn)天氣變化的趨勢。氣象衛(wèi)星所提供的氣象資料已被廣泛用于日常氣象業(yè)務(wù)、氣象科學(xué)、海洋學(xué)和水文學(xué)的研究。

氣象遙感儀器

常用的氣象遙感儀器有三種：①多通道高分辨率掃描輻射計(jì)：它可以獲得可見光與紅外的云圖。太陽同步軌道氣象衛(wèi)星的可見光與紅外云圖的星下點(diǎn)分辨率都在1公里左右；地球靜止軌道氣象衛(wèi)星的可見光云圖的星下點(diǎn)分辨率為0.9～2.5公里，紅外云圖的星下點(diǎn)分辨率為 5～12公里。②高分辨率紅外分光計(jì)：它可以獲得大氣垂直溫度分布和水汽分布。③微波輻射計(jì)：它配合高分辨率紅外分光計(jì)工作，可以獲得云層以下的大氣垂直溫度分布和云中的含水量。氣象觀測專用系統(tǒng)還包括衛(wèi)星所載的磁帶機(jī)等數(shù)據(jù)存貯裝置和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。

1958年美國發(fā)射的人造衛(wèi)星開始攜帶氣象儀器，1960年4月1日，美國首先發(fā)射了第一顆人造試驗(yàn)氣象衛(wèi)星，截止到1990年底，在30年的時(shí)間內(nèi)，全世界共發(fā)射了116顆氣象衛(wèi)星，已經(jīng)形成了一個(gè)全球性的氣象衛(wèi)星網(wǎng)，消滅了全球4/5地方的氣象觀測空白區(qū)，使人們能準(zhǔn)確地獲得連續(xù)的、全球范圍內(nèi)的大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律，做出精確的氣象預(yù)報(bào)，大大減少災(zāi)害性損失。

1960年4月1日，美國發(fā)射了世界上第一顆試驗(yàn)性氣象衛(wèi)星“泰羅斯”1號。這顆試驗(yàn)氣象衛(wèi)星呈18面柱體，高48厘米，直徑107厘米。星上裝有電視攝像機(jī)、遙控磁帶記錄器及照片資料傳輸裝置。它在700千米高的近圓軌道上繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)1135圈，共拍攝云圖和地勢照片22952張，有用率達(dá)60%。具有當(dāng)時(shí)最優(yōu)秀的技術(shù)性能。美國從1960年至1965年間，共發(fā)射了10顆“泰羅斯”氣象衛(wèi)星，其中只有最后兩顆才是太陽同步軌道衛(wèi)星。1966年2月3日，美國研制并發(fā)射了第一顆實(shí)用氣象衛(wèi)星“艾薩”1號，它是美國第二代太陽同步軌道氣象衛(wèi)星，軌道高度約1400千米，云圖的星下點(diǎn)分辨率為4000米。從1966年至1969年間，共發(fā)射了9顆，獲得了大量氣象資料。它的發(fā)射成功開辟了世界氣象衛(wèi)星研制的新領(lǐng)域，大大減少了由于氣象原因造成的各種損失。

1969年，蘇聯(lián)首次發(fā)射了“流呈”I型氣象衛(wèi)星，采用太陽同步軌道，通常保持2～3顆衛(wèi)星運(yùn)行在相互垂直的軌道平面上。這樣就可以提供全球氣象資料。后來這類衛(wèi)星由“流星”2型衛(wèi)星系列所取代。“流星”2型衛(wèi)星系列是獲得全球覆蓋的衛(wèi)星系列。

隨后，日本發(fā)射了兩顆地球靜止氣象衛(wèi)星，歐洲；空間局發(fā)射了兩顆地球靜止軌道氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星，印度也發(fā)射了通信廣播和氣象多用途衛(wèi)星。

中國1988年9月7日發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星—“風(fēng)云一號”太陽同步軌道氣象衛(wèi)星。衛(wèi)星云圖的清晰度可與美國“諾阿”衛(wèi)星云圖媲美，但由于星上元器件發(fā)生故障，它只工作了39天。后成功發(fā)射了四顆極軌氣象衛(wèi)星（風(fēng)云號）和三顆靜止氣象衛(wèi)星（風(fēng)云二號），經(jīng)歷了從極軌衛(wèi)星到靜止衛(wèi)星，從試驗(yàn)衛(wèi)星到業(yè)務(wù)衛(wèi)星的發(fā)展過程。

中國的極軌氣象衛(wèi)星和靜止氣象衛(wèi)星已經(jīng)進(jìn)入業(yè)務(wù)化，在軌運(yùn)行的衛(wèi)星分別是風(fēng)云一號D星（2002年發(fā)射）和風(fēng)云二號C星（2004年發(fā)射）。中國是世界上少數(shù)幾個(gè)同時(shí)擁有極軌和靜止氣象衛(wèi)星的國家之一，是世界氣象組織對地觀測衛(wèi)星業(yè)務(wù)監(jiān)測網(wǎng)的重要成員。

氣象衛(wèi)星的軌道大致有兩種，一種是太陽同步軌道，一種是地球靜止軌道。按照前一種軌道運(yùn)行，衛(wèi)星每天對地球表面巡視兩遍，其優(yōu)點(diǎn)是可以獲得全球氣象資料，缺點(diǎn)是對某一地區(qū)每天只能觀測兩次。 若運(yùn)行于地球靜止軌道，則可以對地球近1/5的地區(qū)連續(xù)進(jìn)行氣象觀測，實(shí)時(shí)將資料送回地面，用四顆衛(wèi)星均勻地布置在赤道上空，就能對全球中、低緯度地區(qū)氣象狀況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測；它的缺點(diǎn)是對緯度大于55度地區(qū)的氣象觀測能力差。這兩種衛(wèi)星如果同時(shí)在天上工作，就可以優(yōu)勢互補(bǔ)。

在氣象預(yù)測過程中非常重要的衛(wèi)星云圖的拍攝也有兩種形式：一種是借助于地球上物體對太陽光的反向程度而拍攝的見光云圖，只限于白天工作；另一種是借助地球表面物體溫度和大氣層溫度輻射的程度，形成紅外云圖，可以全天候工作。氣象衛(wèi)星具有：1，軌道（低和高軌兩種）；2，短周期重復(fù)觀測；3，成像面積大，有利于獲得宏觀同步信息，減少數(shù)據(jù)處理容量；4，資料來源連續(xù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)成本低，等點(diǎn)。

氣象衛(wèi)星主要有極軌氣象衛(wèi)星和同步氣象衛(wèi)星兩大類。

①極軌氣象衛(wèi)星。飛行高度約為600～1500千米，衛(wèi)星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的交角，這樣的衛(wèi)星每天在固定時(shí)間內(nèi)經(jīng)過同一地區(qū)2次，因而每隔12小時(shí)就可獲得一份全球的氣象資料。

②同步氣象衛(wèi)星。運(yùn)行高度約35800千米，其軌道平面與地球的赤道平面相重合。從地球上看，衛(wèi)星靜止在赤道某個(gè)經(jīng)度的上空。一顆同步衛(wèi)星的觀測范圍為100個(gè)經(jīng)度跨距，從南緯50°到北緯50°，100個(gè)緯度跨距，因而5顆這樣的衛(wèi)星就可形成覆蓋全球中、低緯度地區(qū)的觀測網(wǎng)。

軌道：氣象衛(wèi)星采用太陽同步軌道或地球靜止衛(wèi)星軌道。為了保證云圖的質(zhì)量，氣象衛(wèi)星的太陽同步軌道呈圓形，偏心率要求小于千分之一，傾角大于90°，高度一般在800～1500公里，以便飛經(jīng)地球各地區(qū)時(shí)獲取的圖像具有相同的光照條件。地球靜止軌道氣象衛(wèi)星對位置保持的精度要求不高，東西向?yàn)?.5°左右，南北向?yàn)?°左右，偏心率小于千分之一。

姿態(tài)控制：為了保證云圖的圖片質(zhì)量，氣象衛(wèi)星必須具有很高的姿態(tài)穩(wěn)定性。太陽同步軌道氣象衛(wèi)星要求姿態(tài)的變化率小于千分之幾度每秒，地球靜止軌道氣象衛(wèi)星要求姿態(tài)的變化率小于0.0002度/秒和小于0.002度每半小時(shí)。氣象衛(wèi)星對姿態(tài)的控制精度，要求一般為0.5°～1°。

數(shù)據(jù)傳輸：氣象衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸有4種：氣象遙感儀器獲得的原始數(shù)據(jù)向地面數(shù)據(jù)處理中心站傳輸，常用頻段為1700兆赫，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，最高可達(dá)28兆比特/秒；氣象遙感儀器獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)衛(wèi)星上初步處理后，實(shí)時(shí)向地面發(fā)送云圖等氣象資料，常用頻段為137兆赫和1700兆赫，數(shù)據(jù)傳輸速率較低；氣象遙感儀器獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)傳到地面作各種數(shù)據(jù)處理后，再通過氣象衛(wèi)星向各地廣播云圖等氣象資料，常用頻段為1700兆赫；收集地面氣象站、海洋自動(dòng)浮標(biāo)和設(shè)置在無人值守地區(qū)的自動(dòng)氣象站所獲得的溫度、壓力、濕度等環(huán)境資料，常用頻段為401和468兆赫。

①衛(wèi)星云圖的拍攝。

②云頂溫度、云頂狀況、云量和云內(nèi)凝結(jié)物相位的觀測。

③陸地表面狀況的觀測，如冰雪和風(fēng)沙，以及海洋表面狀況的觀測，如海洋表面溫度、海冰和洋流等。

④大氣中水汽總量、濕度分布、降水區(qū)和降水量的分布。

⑤大氣中臭氧的含量及其分布。

⑥太陽的入射輻射、地氣體系對太陽輻射的總反射率以及地氣體系向太空的紅外輻射。

⑦空間環(huán)境狀況的監(jiān)測，如太陽發(fā)射的質(zhì)子、α粒子和電子的通量密度。這些觀測內(nèi)容有助于我們監(jiān)測天氣系統(tǒng)的移動(dòng)和演變；為研究氣候變遷提供了大量的基礎(chǔ)資料；為空間飛行提供了大量的環(huán)境監(jiān)測結(jié)果。

氣象衛(wèi)星的發(fā)展經(jīng)歷了試驗(yàn)和應(yīng)用兩個(gè)階段。除美國和蘇聯(lián)外，日本和歐洲空間局于1977年也先后發(fā)射了氣象衛(wèi)星，這些國家和組織都參加世界氣象組織 (WMO)安排的全球大氣研究計(jì)劃的第一期全球試驗(yàn)。主要的氣象衛(wèi)星系列有：

①“流星”號氣象衛(wèi)星系列：見“流星”號衛(wèi)星。

②“泰羅斯”號氣象衛(wèi)星系列：美國發(fā)射的世界第一個(gè)試驗(yàn)氣象衛(wèi)星系列，1960～1965年共發(fā)射10顆，除最后兩顆為太陽同步軌道外，其余的軌道傾角為48°和58°。

③“艾薩”號衛(wèi)星：美國第一代太陽同步軌道氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用衛(wèi)星。1966～1969年間先后發(fā)射了9顆，軌道傾角約102 °，軌道高度約1400公里，云圖的星下點(diǎn)分辨率為4公里。

④“泰羅斯N/諾阿”衛(wèi)星系列：見“泰羅斯N/諾阿”衛(wèi)星。

⑤“靜止氣象衛(wèi)星”(GMS) ：日本的地球靜止軌道氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用衛(wèi)星，共2顆，分別于1977年和1981年發(fā)射，可見光和紅外云圖的星下點(diǎn)分辨率分別為1.25公里和5公里。

⑥“氣象衛(wèi)星”(Meteosat)：歐洲空間局的地球靜止軌道氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星，共2顆，分別于1977年和1981年發(fā)射，可見光、紅外云圖和水汽圖的星下點(diǎn)分辨率分別為2.5公里、5公里和5公里。

⑦“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”：見“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”。

⑧“印度衛(wèi)星”(INSAT) ：印度的通信、廣播和氣象多用途衛(wèi)星，它的可見光和紅外云圖的星下點(diǎn)分辨率分別為2.7公里和11公里。

截止到1990年底，在30年的時(shí)間內(nèi)，全世界共發(fā)射了116顆氣象衛(wèi)星，已經(jīng)形成了一個(gè)全球性的氣象衛(wèi)星網(wǎng)，消滅了全球4/5的氣象觀測空白區(qū)，使人們能準(zhǔn)確地獲得連續(xù)的、全球范圍內(nèi)的大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律，作出精確的氣象預(yù)報(bào)，大大減少了災(zāi)害性損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，如果對自然災(zāi)害能有3～5天的預(yù)報(bào)，就可以減少農(nóng)業(yè)方面30～50%的損失，僅農(nóng)、牧、漁業(yè)就可年獲益1.7億美元。

氣象衛(wèi)星具有除一般衛(wèi)星的基本結(jié)構(gòu)和部件外，還攜帶各類遙感儀器，包括電視攝像機(jī)、紅外探測儀、射電探測儀、多譜段探測儀、氣象雷達(dá)以及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。氣象衛(wèi)星的軌道一般分兩種：一種是太陽同步軌道，它的軌道高度較低，能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋，用于觀測天氣變化的細(xì)節(jié)；一種是靜止軌道，它能夠觀測地球表面40%固定區(qū)域天氣大系統(tǒng)的變化。這兩種衛(wèi)星獲得的云圖共同使用，可完成天氣的近期和遠(yuǎn)期預(yù)報(bào)。日常氣象預(yù)報(bào)是氣象衛(wèi)星的基本功能之一。氣象衛(wèi)星資料還可用于數(shù)值預(yù)報(bào)、中長期天氣預(yù)報(bào)和氣象科學(xué)研究。

它還可廣泛用于地球環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。利用極軌衛(wèi)星上甚高分辨率掃描輻射計(jì)的資料可以監(jiān)視地表和海表特征，服務(wù)于森林火災(zāi)監(jiān)視、洪澇、農(nóng)業(yè)病蟲害、作物產(chǎn)量、漁業(yè)、海冰、泥沙等監(jiān)測。衛(wèi)星圖像可以監(jiān)視海冰情況，對遠(yuǎn)洋運(yùn)輸至關(guān)重要；可以監(jiān)測河口泥沙，對航運(yùn)、水利、港口的建設(shè)和發(fā)展十分重要；還可用于監(jiān)測土壤溫度、地表溫度、高原積雪、沙暴塵暴、城市熱島、地震前兆、森林蟲害、地質(zhì)構(gòu)造、海洋水色和環(huán)境污染等，對科技、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及人類生活各方面都有著深刻的影響。